Analiza ohišnih struktur baterijskega sklopa iz aluminijeve zlitine in tehnologij spajanja za vozila z novo energijo

Ko se sistemi akumulatorjev za nova energetska vozila razvijajo v smeri višje energijske gostote, manjše teže in večje integracije, se je ohišje akumulatorskega sklopa spremenilo iz preprostega strukturnega ščita v kritično komponento, ki hkrati obravnava-nošenje, tesnjenje, toplotno upravljanje in sistemsko integracijo. Za napajalne baterije, medtem ko se sistemi celičnih materialov in tehnologije za upravljanje baterij še naprej izboljšujejo, zmanjšanje teže ohišja za povečanje energijske gostote-na ravni sistema predstavlja neposreden in učinkovit inženirski pristop.

 

Aluminijeve zlitine ponujajo nizko gostoto, visoko specifično trdnost, odlično odpornost proti koroziji, dobro toplotno prevodnost, ugodno sposobnost oblikovanja in možnost recikliranja, zaradi česar so zelo dragocene za nove strukture akumulatorskih baterij za energetska vozila. V primerjavi s tradicionalnimi jeklenimi ohišji strukture iz aluminijeve zlitine zmanjšajo težo, hkrati pa izpolnjujejo zahteve-za nosilnost, kar zagotavlja večjo prilagodljivost zasnove za razporeditev baterijskih modulov, integracijo hladilnega sistema in optimizacijo dosega vozila.

 

Običajne strukturne zasnove za akumulatorske sisteme novih energetskih vozil vključujejo ohišja iz ekstrudiranega aluminija, strukture iz žigosane aluminijaste pločevine in hibridne strukture, ki združujejo profile in pločevine. Zlasti ekstrudirani profili ponujajo zelo prilagodljive preseke-; lastnosti, kot so več-komorne zasnove, ojačitvena rebra in lokalizirani trdni deli, omogočajo povečano strukturno togost ob optimizirani uporabi materiala. Pri sistemih prizmatičnih celic mora biti zasnova ohišja usklajena tudi z razporeditvijo celic, hladilnimi kanali in tesnilno strukturo zgornjega pokrova.

 

Na ravni celice aluminijasta pločevinka služi za inkapsulacijo notranjosti celice in zagotavlja zunanjo zaščito, medtem ko je ohišje baterijskega paketa v prvi vrsti odgovorno za strukturno obremenitev-in zaščito okolja celotnega baterijskega sistema; bistveno se razlikujeta po dimenzijah, debelini materiala, metodah oblikovanja in zahtevah za povezavo. Posledično je treba mehanske, električne in toplotne zahteve za upravljanje tako za ohišje celice kot za ohišje paketa baterij oceniti ločeno med postopkom konstrukcijskega načrtovanja.

 

 

 

Tipično ohišje baterijskega paketa iz aluminijeve zlitine je sestavljeno iz okvirja, osnovne plošče, zgornjega pokrova in notranjih pritrdilnih struktur. Okvir in osnovna plošča nosita primarne obremenitve baterijskih modulov in pripadajočih komponent, medtem ko zgornji pokrov predvsem zagotavlja zaščito in tesnjenje, poleg tega pa prispeva k splošni strukturni togosti. Odvisno od določenega modela vozila in razporeditve akumulatorskega sistema so lahko integrirane tudi komponente, kot so hladilni kanali, pritrdilni nosilci, strukturne ojačitve, nosilci kabelskega snopa in visoko{2}}napetostna povezovalna območja.

 

Pri aluminijastih ohišjih akumulatorjev v novih energetskih vozilih se strukturna zasnova ne more osredotočiti zgolj na zmanjšanje teže; hkrati mora izpolnjevati zahteve glede trdnosti, togosti, življenjske dobe ob utrujanju, varnosti pri trčenju, tesnjenja in možnosti izdelave. Priključna območja znotraj ohišja so pogosto kritična območja za konstrukcijsko zasnovo in preverjanje zanesljivosti, zlasti glede na delovne pogoje, ki vključujejo dolgotrajne-vibracije, toplotne cikle in udarce s ceste.

 

Okvir in osnovna plošča običajno uporabljata profile iz ekstrudirane aluminijeve zlitine z več notranjimi votlinami. Optimiziranje prečnega-prereza profila omogoča velik površinski vztrajnostni moment z relativno omejeno porabo materiala. Ojačitvena rebra ali lokalizirane trdne odseke je mogoče vključiti v območja, ki so izpostavljena visokim obremenitvam, medtem ko je nepotreben material mogoče odstraniti z območij, ki niso-kritična-nosijo obremenitev, z zmanjšanjem debeline stene, optimizacijo dimenzij votlin ali uporabo post-ekstruzijske obdelave.

 

Poleg tega, da podpira težo baterijskih celic in modulov, mora osnovna plošča baterijskega paketa morda integrirati kanale za vodno ali tekoče hlajenje. Posledično mora njegova-zasnova preseka uravnotežiti-nosilnost, prostor za hladilne kanale, izvedljivost proizvodnje in zahteve glede tesnjenja. Pri baterijskih paketih, ki uporabljajo tekočinsko hlajenje, sta neprekinjenost notranjih kanalov in kakovost tesnjenja zvarjenih območij še posebej pomembna.

 

 

Ekstrudirane aluminijeve zlitine serije 6000--, kot so 6061-T6, 6005A-T6 in 6063-T6, se pogosto uporabljajo za ohišja pogonskih baterij. Različne zlitine se razlikujejo glede na trdnost, možnost ekstrudiranja, kompleksnost preseka in stroške materiala; zato je treba izbiro materiala določiti ob upoštevanju zahtev glede strukturne obremenitve in proizvodnih procesov.

 

6061-T6 ponuja odlične splošne mehanske lastnosti, zaradi česar je primeren za okvirje in nosilne-komponente, ki zahtevajo visoko trdnost in strukturno stabilnost. 6005A-T6 uravnoteži trdnost z možnostjo iztiskanja, zaradi česar je primeren za večje profilne strukture.

 

6063-T6 ponuja vrhunsko sposobnost oblikovanja, zaradi česar je bolj primeren za zapletene prečne-prereze ali strukturna področja z nižjimi zahtevami glede nosilnosti. Med projektiranjem debelejša profilna stena ni nujno boljša. Prekomerna debelina stene poveča porabo materiala in strukturno težo, hkrati pa poveča stroške, povezane z iztiskanjem, varjenjem in nadaljnjo obdelavo. Zato je treba debelino stene in postavitev ojačitvenih reber določiti na podlagi dejanskih poti obremenitve, pri čemer je treba zagotoviti, da je material razporejen tam, kjer lahko najbolj učinkovito prenese obremenitve.

 

Za strukture, ki zahtevajo sekundarno obdelavo, se lahko uporabijo aluminijasti žigosani deli za komponente, kot so lokalizirani nosilci, pritrdilni jezički, zaščitni ščiti in povezovalni pripomočki znotraj ohišja. V primerjavi s preprostim povečanjem debeline glavnega profila lahko lokalizirana ojačitev z uporabo ločenih ojačitev včasih doseže vrhunsko ravnotežje med težo in strukturno zmogljivostjo.

 

 

 

Ohišja baterijskega paketa iz aluminijeve zlitine so lahko oblikovana kot integralne ekstrudirane strukture ali kot sklopi, oblikovani z varjenjem več profilov skupaj. Integralni profili nudijo vrhunsko strukturno kontinuiteto in zmanjšujejo število priključnih vmesnikov; vendar lahko povzročijo večje dimenzije profila, zahtevnejše zahteve glede orodij in večjo naknadno obdelavo.

 

Nasprotno pa varjeni sestavi zmanjšajo kompleksnost izdelave, povezano z velikimi, zapletenimi profili, in nudijo večjo prilagodljivost oblikovanja. S kombiniranjem profilov z različnimi-prerezi je mogoče strukturno konfiguracijo prilagoditi specifičnim dimenzijam paketa baterij in zahtevam glede obremenitve, hkrati pa potencialno znižati stroške orodja in obdelave.

 

Za posebna montažna področja je mogoče ustvariti lokalizirane montažne funkcije z žigosanjem ali strojno obdelavo aluminija. Poseben pristop je treba izbrati na podlagi dimenzij delov, debeline materiala, obsega proizvodnje in zahtev glede natančnosti. Pri -velikoserijskih proizvodnih projektih je v zgodnjih fazah razvoja izdelka običajno potrebna celovita ocena kombinacije postopkov žigosanja, iztiskanja in strojne obdelave.

 

 

 

Primarne metode spajanja za ohišja baterijskega sklopa iz aluminijeve zlitine vključujejo varjenje s trenjem in mešanjem (FSW), varjenje MIG, kovičenje, vstavljanje s stiskanjem (samo-kovičenje s prebadanjem/-kovičenje) in lepljenje z lepilom. Varjenje s trenjem in mešanjem je znana tehnika spajanja-v trdnem stanju; za razliko od tradicionalnega talilnega varjenja material med zvarom ni podvržen popolnemu procesu taljenja.

 

Za -strukturne spoje na velike razdalje-, kot so tisti, ki povezujejo osnovno ploščo paketa baterij z okvirjem-, varjenje s trenjem in mešanjem nudi prednosti, vključno z minimalno deformacijo pri varjenju, stabilno mikrostrukturo spoja in primernostjo za neprekinjeno varjenje. Ker proces strjevanja zvarnega bazena, ki je značilen za tradicionalno talilno varjenje, ni, je tveganje napak, kot so poroznost, vključki in vroče razpoke, zmanjšano.

 

Pri praktičnem konstrukcijskem načrtovanju mora biti oblika prečnega-prereza zvarnega območja poravnana z ovojnico gibanja orodja za torno mešalno varjenje. Notranji ojačevalci, zaobljeni elementi in lokalizirani trdni deli znotraj profilov morajo zagotavljati ustrezno podporo za postopek varjenja. Če je globina zvara velika, je treba strukturno togost ustreznega območja ustrezno povečati; sicer lahko pride do lokalne deformacije pod pritiskom varjenja.

 

Za povezavo med osnovnimi ploščami je mogoče na podlagi strukturne zasnove izbrati konfiguracijo čelnega-sklepa ali-prekrivnega spoja. Dvo-stransko varjenje poveča strukturno stabilnost območja spoja, vendar podaljša procesno pot in čas izdelave; zato je izbira odvisna od strukture izdelka in zahtev proizvodnega cikla.

 

 

Povezava med okvirjem in osnovno ploščo je kritičen vmesnik,-ki nosi obremenitev za ohišje baterijskega paketa, način spajanja pa neposredno vpliva na splošno trdnost strukture in tesnjenje. Običajni pristopi vključujejo dvo-stransko torno varjenje z mešanjem (FSW) ali kombinacijo zunanjega FSW z notranjim MIG varjenjem in tesnjenjem.

 

Dvostranski-stranski FSW daje neprekinjen vmesnik spoja in pomaga zmanjšati-deformacije, ki jih povzroča varjenje. Vendar pa mora strukturna zasnova omogočati dovolj prostora za varilno orodje, kar lahko zahteva posebne dimenzije preseka okvirja.

 

Drugi pristop vključuje uporabo FSW na zunanjosti in MIG varjenje na notranji strani. Ta konfiguracija ponuja relativno visoko proizvodno učinkovitost in večjo prilagodljivost pri oblikovanju profila; vendar je treba posebno pozornost nameniti kakovosti zvara in tesnjenju v varjenih območjih z-notranjo talitvijo. Če obstajajo možne poti puščanja, bo morda potrebna sekundarna zaščita s tesnilnim sredstvom.

 

Za nekatera kompleksna povezovalna območja se lahko kot neodvisni konektorji uporabijo vtisnjene komponente iz aluminijaste pločevine, ki se naknadno spojijo na glavno ohišje s kovičenjem, varjenjem ali vijačenjem. Ta strategija zmanjša kompleksnost proizvodnje, povezano s proizvodnjo zapletenih struktur kot posameznih integriranih enot.

 

 

Akumulatorji za nova energetska vozila so običajno nameščeni na podvozje vozila ali blizu šasije, zaradi česar so dolgoročno izpostavljeni okoljskim dejavnikom, kot so dež, blato, stoječa voda, temperaturna nihanja in mehanske vibracije. Zasnova tesnjenja ohišja je ključnega pomena ne le za dolgo življenjsko dobo strukturnih komponent, temveč tudi za električno varnost akumulatorskega sistema.

 

Med postopkom načrtovanja je ključnega pomena nadzor potencialnih poti puščanja, kot so zvari osnovne plošče, spoji okvirjev, prirobnice zgornjega pokrova, luknje za pritrditev pritrdilnih elementov ter vmesniki za kabelske snope in visoko{0}}napetostne povezave. Pri ohišjih z varjenimi povezavami je treba uporabiti kontrolo kakovosti zvarov in preskus tesnjenja, da se zagotovi, da ni pomembnega tveganja puščanja na območjih spoja.

 

Tesnilni trakovi, penasti tesnilni materiali ali druge elastične tesnilne strukture se običajno uporabljajo med ohišjem in zgornjim pokrovom. Zasnova tesnjenja mora obravnavati tudi področja pritrdilnih elementov, da se prepreči, da bi luknje za vijake ali zakovice postale poti za vstop vlage v ohišje.

 

V nekaterih konfiguracijah so električne komponente-kot so izolirane zbiralke-v bližini notranjih struktur akumulatorja; zato je treba upoštevati dejavnike, kot so izolacijska razdalja, načini namestitve in vpliv zaprtega okolja na dolgoročno-delovanje električnih komponent.

 

 

Baterijski paketi iz aluminijeve zlitine se ne zanašajo samo na postopke ekstrudiranja. Sestavne dele, kot so pritrdilni nosilci, povezovalne plošče, ojačitve in lokalizirani strukturni deli, je mogoče množično -proizvesti z uporabo kovinskega žigosanja iz aluminija. Štancanje ponuja prednosti, kot so hitri proizvodni cikli, visoka izkoriščenost materiala in primernost za množično proizvodnjo.

 

Za dele s kompleksno geometrijo in visokimi zahtevami glede dimenzijske natančnosti se lahko uporabi kombinacija štancanja aluminijaste pločevine in CNC obdelave. Vtiskovanje se uporablja za oblikovanje osnovnega profila in primarne strukture, medtem ko strojna obdelava izvaja natančno končno obdelavo lukenj, montažnih površin in kritičnih dimenzij.

 

Med fazo razvoja projekta ali za malo{0}}serijsko proizvodnjo lahko žigosanje aluminija po meri zmanjša naložbo v specializirano orodje in olajša hitre strukturne prilagoditve na podlagi rezultatov preskusa prototipa. Ob prehodu na masovno proizvodnjo je treba orodja, uporabo materiala in proizvodne cikle dodatno optimizirati, da se nadzorujejo proizvodni stroški na enoto.

 

Pri lokaliziranih nosilcih, nosilcih in pomožnih strukturah za električne povezave deli iz žigosanega aluminija dopolnjujejo ekstrudirane profile in varjene strukture, kar ponuja večjo prilagodljivost v celotni strategiji izdelave baterijskega sklopa.

 

 

Gostota aluminija je približno-tretjina gostote jekla; posledično ponuja zamenjava nekaterih jeklenih konstrukcij z aluminijevimi zlitinami velik potencial za zmanjšanje teže. Vendar pa dejansko doseženo zmanjšanje teže ni le funkcija razlik v gostoti materiala; odvisno je tudi od-geometrije preseka, debeline stene, načinov spajanja in strukture ojačitve.

 

Jedro lahke zasnove je v optimizaciji poti obremenitve. Pri območjih, ki so izpostavljena znatnim upogibnim in udarnim obremenitvam, je mogoče togost povečati s povečanjem-višine prečnega prereza, vključitvijo ojačitvenih reber ali uporabo več-komornih struktur, namesto da preprosto povečate debelino celotne plošče.

 

Za ne-primarna nosilna-območja je mogoče porabo materiala zmanjšati z lokalnim tanjšanjem, vključitvijo izrezov in strukturno optimizacijo. CAE (računalniško-podprto inženirstvo) analiza končnih elementov omogoča oceno napetosti in deformacij v ohišju v pogojih, kot so pospeševanje, vibracije, drobljenje in drugi tipični scenariji delovanja, kar omogoča identifikacijo morebitnih šibkih točk v fazi načrtovanja.

 

Pomembno je opozoriti, da lahka baterija ne sme priti na račun varnosti. Strukturna zasnova zahteva doseganje razumnega ravnovesja med težo, togostjo, močjo, življenjsko dobo ob utrujenosti, varnostjo pri trku, proizvodnimi stroški in zmogljivostjo tesnjenja.

 

 

Med razvojem strukture baterijskega sklopa se simulacija CAE uporablja za potrditev različnih materialov in možnosti oblikovanja-presekov. Tipične analize vključujejo statično trdnost, modalno analizo, analizo vibracij, drobljenja, udarca in lokalne napetosti na povezovalnih točkah.

 

Na primer, kar zadeva strukture, ki uporabljajo zlitino 6005A-T6, je mogoče izračunane največje vrednosti napetosti primerjati z mejo tečenja materiala, hkrati pa upoštevati varnostne faktorje, zmogljivost zvarnega spoja in dolgoročno-obremenitev zaradi utrujenosti.

 

Scenariji zmečkanin zahtevajo posebno pozornost na varnostni razdalji med baterijskimi moduli in ohišjem. Pomembna strukturna deformacija, ki vdre v območje celice, lahko poveča tveganje za mehanske poškodbe celic. Zato je treba rezultate simulacije ovrednotiti v povezavi z dejanskimi dimenzijami baterijskega modula, varnostnimi razdaljami in celotno strukturo vozila.

 

Poleg analize CAE mora stopnja izdelave prototipov vključevati validacijsko testiranje za zrakotesnost, vodoodpornost, vibracije, mehansko trdnost in okoljsko vzdržljivost. Medtem ko simulacija služi za skrajšanje ciklov iteracije zasnove, je fizično testiranje bistvenega pomena za preverjanje delovanja izdelka v dejanskih-pogojih delovanja.

 

 

 

Ko se nove platforme za energetska vozila razvijajo proti visoki napetosti, visoki zmogljivosti in visoki integraciji, se funkcionalnost ohišij baterijskega sklopa še naprej širi. Prihodnje strukturne zasnove bodo dale večji poudarek sinergiji med ohišjem, hladilnim sistemom, električnimi povezavami in upravljanjem toplote.

 

Po eni strani imajo profili iz aluminijeve zlitine pomembno prednost pri majhni teži; več{0}}komorne ekstrudirane strukture, lokalizirana ojačitev in integrirani hladilni kanali bodo ostale ključne smernice oblikovanja. Po drugi strani pa se bo povečala kombinirana uporaba žigosanih aluminijastih plošč, struktur iz litega aluminija in ekstrudiranih profilov, da bi izpolnili proizvodne zahteve različnih modelov vozil in platform baterij.

 

Kar zadeva embalažo celic, mora aluminijasto ohišje za litij-ionske baterije uravnotežiti natančnost oblikovanja, odpornost proti koroziji, celovitost tesnjenja in zahteve notranjega elektrokemičnega okolja. Na ravni paketa baterij se poudarek preusmeri na strukturno trdnost, tesnjenje in zaščito, toplotno upravljanje in varnost pri trku.

 

Pri prizmatičnih baterijskih sistemih morata zasnova aluminijastega ohišja in strukture paketa v celoti upoštevati razporeditev celic, kopičenje toleranc in načine namestitve modulov, da se zmanjšajo strukturne motnje med sestavljanjem.

 

Postopki globokega vlečenja so primerni za nekatera kovinska ohišja baterij s kompleksno prostorsko geometrijo; Ključni vidiki načrtovanja vključujejo raztezek materiala, nadzor debeline pločevine, radije vogalov in nevarnost razpok med oblikovanjem.

 

Za aluminijasta ohišja bodo prihodnji trendi oblikovanja dajali prednost integraciji,-ki bo strukturnim komponentam omogočila izvajanje več funkcij (kot so hlajenje,-prenašanje obremenitev, pritrditev in zaščita), da se zmanjša skupno število ločenih delov.

 

Na splošno ni enotne, fiksne tehnične poti za ohišja baterijskega paketa iz aluminijeve zlitine. Proizvodne postopke-, kot so ekstrudiranje, žigosanje, strojna obdelava, varjenje s trenjem, varjenje MIG, kovičenje in lepljenje z lepilom-je treba združiti glede na dimenzije izdelka, materialne sisteme, obseg proizvodnje, natančnost in zahteve glede učinkovitosti. Procesne poti, ki jih uporabljajo podjetja za žigosanje aluminija, se lahko močno razlikujejo glede na obseg proizvodnje in strukturno kompleksnost; zato mora rešitev, določena v fazi razvoja izdelka, dati prednost strukturnim zahtevam in izvedljivosti proizvodnje.

 

Z inženirskega vidika lažja teža ohišja baterijskega paketa ni le stvar zamenjave aluminija z jeklom; namesto tega gre za podvig sistemskega inženiringa, ki vključuje medsebojno delovanje materialov, -struktur presekov, procesov spajanja, zasnov tesnjenja, validacije simulacije in množične proizvodnje. Samo s sočasnim upoštevanjem strukturne zmogljivosti in proizvodnih procesov lahko zmanjšamo težo, hkrati pa ohranimo trdnost, celovitost tesnjenja in dolgoročno-zanesljivost, ki se zahteva od akumulatorskega sistema.

 

Zanova ohišja akumulatorjev za energetska vozila, bi morale inženirske ekipe, vključene v razvoj izdelkov ali obseg nabave, nadalje potrditi posebne tehnične rešitve pri proizvajalcih, ki imajo zahtevane zmogljivosti za žigosanje, iztiskanje in varjenje aluminijevih zlitin, ob upoštevanju razredov materiala, strukturnih dimenzij, postopkov oblikovanja, metod varjenja, ocene tesnjenja in zahtev glede inšpekcij.